Nanostructure variability of cellulose from plants and the impact on cellulose nanocrystals production

• Main Author: Oliveira, Marcelo Miranda de
• Other Authors: Curvelo, Antonio Aprigio da Silva
• Format: Others
• Language: en
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2018
• Subjects: Biomass; Biomassa; Cellulose; Cellulose nanocrystal; Celulose; Nanocellulose; Nanocelulose; Nanocristais de celulose; Nanoestrutura; Nanostructure; Variabilidade; Variability
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-07112018-101553/

This work investigates the compositional and nanostructural variability of celluloses isolated from plants and the impact of the variability in the production of cellulose nanocrystals. A variable set of cellulose isolated from plants were generated starting with a range of feedstocks (coconut fiber, sisal fiber, eucalyptus sawdust, pine sawdust, sugarcane rind and sugarcane pith), applying a range of cellulose isolation processes (acetossolv, liquid hot water, alkaline, and liquid hot water + alkaline) and adding commercial cellulose (eucalyptus kraft pulp, dissolving pulp, and microcrystalline cellulose) as reference materials. The nanostructural characteristics were evaluated by calorimetric thermoporometry, X-ray diffraction, and moisture sorption isotherms. Composition was evaluated by standard wet chemical analysis and insights on functional groups were obtained by infrared spectroscopy. The cellulose nanocrystals were produced by acid hydrolysis with sulfuric acid and characterized by atomic force microscopy and X-ray diffraction. The measured parameters of the isolated celluloses were spread, showing we could achieve a highly diverse set of substrates. Significant correlations between measured variables across the sample set, indicating possible unforeseen multivariate relations among cellulose features. For example, we could show that cellulose monolayer hydration is determined by both hemicelluloses content (compositional parameter) as well as cellulose crystal width (structural parameter). Cellulose nanocrystals were successfully produced, although in some cases such as for the acetossolv pulps the acid conditions were too aggressive and oxidized the substrates. Finally, some quantitative correlations were seen between the parameters of cellulose substrates and the resulting cellulose nanocrystals. These results supply the first hints about how the nanostructural variability of isolated cellulose can influence the cellulose nanocrystals produced from them. === Este trabalho investiga a variabilidade composicional e nanoestrutural de celuloses isoladas de plantas e o seu impacto na variabilidade na produção de nanocristais de celulose. Um conjunto variável de celuloses isoladas de plantas foi gerado a partir de uma série de matérias-primas (fibra de coco, sisal, serragem de eucalipto, serragem de pinheiro, casca de cana e miolo de cana), aplicando uma série de processos de isolamento de celulose (hidrotérmico, alcalino, hidrotérmico + alcalino e acetosolve) e adicionando celuloses comerciais (polpa kraft de eucalipto, polpa para dissolução e celulose microcristalina) como materiais de referência. As características nanoestruturais foram avaliadas por termoporometria calorimétrica, difração de raios X e isotermas de sorção de umidade. A composição foi avaliada por análise química húmida padrão e os conhecimentos sobre grupos funcionais foram obtidos por espectroscopia de infravermelhos. Os nanocristais de celulose foram produzidos por hidrólise ácida com ácido sulfúrico e caracterizados por microscopia de força atômica e difração de raios-X. Os parâmetros medidos das celuloses isoladas foram distribuídos, demonstrando que poderíamos alcançar um conjunto altamente diversificado de substratos. Correlações significativas entre as variáveis medidas foram observadas em todo o conjunto amostral, indicando possíveis relações multivariadas imprevistas entre as características da celulose. Por exemplo, poderíamos demonstrar que a monocamada de hidratação de celulose é determinada tanto pelo conteúdo de hemiceluloses (parâmetro de composição) quanto pela largura do cristal de celulose (parâmetro estrutural). Os nanocristais de celulose foram produzidos com sucesso, embora em alguns casos, como nas polpas acetosolve, as condições ácidas fossem muito agressivas e oxidassem os substratos. Finalmente, algumas correlações quantitativas foram observadas entre os parâmetros dos substratos de celulose e os nanocristais de celulose resultantes. Estes resultados fornecem as primeiras dicas sobre como a variabilidade nanoestrutural da celulose isolada pode influenciar os nanocristais de celulose produzidos a partir deles.